CN101911352B - 燃料电池、燃料电池系统以及燃料电池的运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池具备：层叠单电池(51、52)而成的电池组(101、102)，将电池组(101)的电池组内部冷却介质流路(153A)和电池组(102)的电池组内部冷却介质流路(153B)串联连接的冷却介质连接流路(103)；催化剂层含有：包含电极催化剂和担载该电极催化剂的碳粉末的催化剂担载体，以及附着于该催化剂担载体的电解质；位于冷却介质连接流路(103)下游的电池组(102)的单电池(52)中的催化剂层，与位于冷却介质连接流路(103)的上游的电池组(101)的单电池(51)中的催化剂层相比，其选自催化剂材料组成群中的1种以上的催化剂材料组成更大，该催化剂材料组成群由催化剂层的每单位体积的离子交换基的密度、催化剂层的所述催化剂担载体的电极催化剂的担载量、以及催化剂层的催化剂担载率构成。

Description

燃料电池、燃料电池系统以及燃料电池的运行方法
技术领域
本发明涉及燃料电池、燃料电池系统以及燃料电池的运行方法，特别涉及具有2个电池组的燃料电池的结构。
背景技术
固体高分子电解质型燃料电池(以下称为PEFC(PolymerElectrolyte Fuel Cell))是通过使对城市燃气等的原料气体重整而含有氢的燃料气体与空气等含有氧的氧化剂气体发生电化学反应、从而同时产生电和热的装置。PEFC的单电池(cell)具有：由电解质层以及一对气体扩散电极构成的MEA(Membrane-Electrode-Assembly：电解质层-电极组件)、密封垫圈以及具有导电性的板状隔板。在隔板的与气体扩散电极相接触的主面上设置有用于使燃料气体或者氧化剂气体(将这些气体称为反应气体)流动的沟槽状的气体流路，在与气体扩散电极相接触的主面的相反侧的主面上设置有用于回收所产生的热并使用于冷却单电池内部的冷却介质进行流通的沟槽状的冷却介质流路。而且，用一对隔板夹住在周缘部配置有密封垫圈的MEA，从而构成了单电池。通过层叠多个该单电池并用端板夹住被层叠了的单电池的两端，由联结器具联结该端板和单电池，从而形成了电池堆。
在将像这样的PEFC用于家庭用燃料电池的情况下，通过回收所产生的热并将其利用于家庭的热水提供，从而能够设法提高能量的利用效率。目前，在家庭用燃料电池中，被用于热水提供的温水的温度为60℃左右，但是在考虑到了热水储槽的小型化或者在地暖方面的适用的情况下，要求利用更加高温的热水。为了产生这样的高温的温水，必须提高电池堆出口的冷却介质的温度。
另外，在将PEFC用于汽车用燃料电池的情况下，与家庭用燃料电池相比较，必须产生高输出，所以会产生大量的热。因此，为了在有限的搭载空间中高效率地冷却电池堆，必须将冷却介质与大气的温度差取得较大。因此，在汽车用燃料电池中，也要求尽可能提高电池堆出口的冷却介质的温度。
然而，为了提高燃料电池堆出口的冷却介质的温度，有必要提高电池堆的运行温度，但是如果提高运行温度的话，那么由于MEA周围的相对湿度的降低，而使得高分子电解质膜以及包含于催化剂层中的电解质发生干燥而降低离子传导性，产生发电效率降低的问题。另外，为了提高MEA周围的相对湿度，提高反应气体的加湿温度是有效的，但是为此必须提高加湿器的性能，会产生伴随着燃料电池系统的成本上升以及大型化而来的缺点。
对于这样的问题，已知有一种燃料电池，由多个单电池构成第1电池组件以及第2电池组件，并且为了将反应气体以及冷却介质提供给以及/或者循环于该第1电池组件以及第2电池组件，而具备对第1电池组件以及第2电池组件进行串联连通的反应气体流路以及冷却介质流路(例如参照专利文献1)。在专利文献1中所公开的燃料电池中，冷却了第1电池组件的冷却介质被提供给第2电池组件，所以基本上第2电池组件与第1电池组件相比较成为高温侧，并且能够容易地提高从第2电池组件排出的冷却介质的温度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-31135号公报
发明内容
然而，即使是上述专利文献1所公开的燃料电池，在高温侧的第2电池组件中，由于仅有由反应气体的反应而生成的水，使得包含于高分子电解质膜以及催化剂层中的电解质发生干燥且离子传导性会降低，因而发电效率会下降，在这一点上还有改善的余地。
本发明是鉴于上述课题而做出的，目的在于提供一种提高从电池组排出的冷却介质的温度、并且不会提升加湿器的成本或大型化而实现高发电效率的燃料电池。
为了解决上述现有技术的问题，本发明所涉及的燃料电池具备：多个电池组，该电池组由具有一对电极和被夹持于该一对电极中的电解质层的单电池层叠而成；电池组内部燃料气体流路，其贯通所述各个电池组，并且使燃料气体以在该各个电池组的各个单电池中进行分流的方式来流动；电池组内部氧化剂气体流路，其贯通所述各个电池组，并且使氧化剂气体以在该各个电池组的各个单电池中进行分流的方式来流动；电池组内部冷却介质流路，其贯通所述各个电池组，并且使冷却介质以在该各个电池组的各个单电池中进行分流的方式来流动；以及冷却介质连接流路，其将某个所述电池组的电池组内部冷却介质流路和另外的所述电池组的电池组内部冷却介质流路进行串联连接；所述催化剂层包含：催化剂担载体，其包含电极催化剂和担载该电极催化剂的碳粉末；和附着于该催化剂担载体上的电解质；其中，位于所述冷却介质连接流路的下游的所述电池组的单电池中的所述催化剂层，与位于所述冷却介质连接流路的上游的所述电池组的单电池中的所述催化剂层相比，其选自催化剂材料组成群中的1种以上的催化剂材料组成更大，该催化剂材料组成群由所述催化剂层的每单位体积的离子交换基的密度、所述催化剂层的所述催化剂担载体的所述电极催化剂的担载量、以及所述催化剂层的催化剂担载率构成。
由此，就能够容易地将从燃料电池(位于最下游的电池组的电池组内部冷却介质流路)排出的冷却介质调整到高温，并且也能够提高燃料电池整体的发电效率。
另外，本发明所涉及的燃料电池也可以是，所述催化剂层的每单位体积的离子交换基的密度是：所述催化剂层的所述电解质的质量相对于所述催化剂担载体的质量之比、以及/或者、所述催化剂层的所述催化剂担载体的所述电解质的离子交换容量。
另外，本发明所涉及的燃料电池也可以是，与位于所述冷却介质连接流路的上游的所述电池组的单电池中的所述催化剂层相比，位于所述冷却介质连接流路的下游的所述电池组的单电池中的所述催化剂层中，所述催化剂层的所述电解质的质量相对于所述催化剂担载体的质量之比更大。
另外，本发明所涉及的燃料电池也可以是，与位于所述冷却介质连接流路的上游的所述电池组的单电池中的所述催化剂层相比，位于所述冷却介质连接流路的下游的所述电池组的单电池中的所述催化剂层中，所述催化剂层的所述催化剂担载体的所述电解质的离子交换容量更大。
另外，本发明所涉及的燃料电池也可以是，与位于所述冷却介质连接流路的上游的所述电池组的单电池中的所述催化剂层相比，位于所述冷却介质连接流路的下游的所述电池组的单电池中的所述催化剂层中，所述催化剂层的所述催化剂担载体的所述电极催化剂的担载量更大。
另外，本发明所涉及的燃料电池也可以是，所述各个电池组以互相串联的方式电连接。
另外，本发明所涉及的燃料电池也可以是，所述电池组内部燃料气体流路和所述电池组内部氧化剂气体流路被形成为并行流。
另外，本发明所涉及的燃料电池也可以具备：燃料气体连接流路，其将某个所述电池组的电池组内部燃料气体流路和另外的所述电池组的电池组内部燃料气体流路进行串联连接；氧化剂气体连接流路，其将某个所述电池组的电池组内部氧化剂气体流路和另外的所述电池组的电池组内部氧化剂气体流路进行串联连接。
另外，本发明所涉及的燃料电池也可以是，所述冷却介质上游电池组位于所述燃料气体连接流路以及所述氧化剂气体连接流路的上游；所述冷却介质下游电池组位于所述燃料气体连接流路以及所述氧化剂气体连接流路的下游。
另外，本发明所涉及的燃料电池也可以具备：燃料气体连接流路，将某个所述电池组的电池组内部燃料气体流路和另外的所述电池组的电池组内部燃料气体流路进行并联连接；氧化剂气体连接流路，将某个所述电池组的电池组内部氧化剂气体流路和另外的所述电池组的电池组内部氧化剂气体流路进行并联连接。
另外，本发明所涉及的燃料电池也可以是，在某个所述电池组与另外的电池组之间设置有连接板，所述冷却介质连接流路被形成于所述连接板上。
再有，本发明所涉及的燃料电池也可以是至少并列配置有2个所述电池组。
另外，本发明所涉及的燃料电池系统具备：所述燃料电池；将所述燃料气体提供给所述燃料电池的燃料气体供给装置；将所述氧化剂气体提供给所述燃料电池的氧化剂气体供给装置；控制所述燃料电池的温度的温度控制装置；调整从所述燃料电池中取出的电力的电力调整装置；以及控制所述燃料气体供给装置、所述氧化剂气体供给装置、所述温度控制装置以及所述电力调整装置的控制装置；所述控制装置被构成为在下述条件下进行发电运行，该条件是：所述冷却介质下游电池组的电池组内部燃料气体流路中流动的燃料气体的相对湿度低于所述冷却介质上游电池组的电池组内部燃料气体流路中流动的燃料气体的相对湿度，并且所述冷却介质下游电池组的电池组内部氧化剂气体流路中流动的氧化剂气体的相对湿度低于所述冷却介质上游电池组的电池组内部氧化剂气体流路中流动的氧化剂气体的相对湿度。
由此，就能够容易地将从燃料电池(位于最下游的电池组的电池组内部冷却介质流路)排出的冷却介质调整到高温，并且能够提高燃料电池整体的发电效率。
再有，在本发明所涉及的燃料电池系统中，所述控制装置也可以被构成为：在被提供给所述燃料电池的燃料气体以及氧化剂气体的露点低于被提供给所述燃料电池的冷却介质的温度的条件下，进行发电运行。
另外，本发明所涉及的燃料电池的运行方法，其特征在于：所述燃料电池具备：多个电池组，该电池组由具有一对电极和被夹持于该一对电极中的电解质层的单电池层叠而成；电池组内部燃料气体流路，其贯通所述各个电池组，并且使燃料气体以在该各个电池组的各个单电池中进行分流的方式来流动；电池组内部氧化剂气体流路，其贯通所述各个电池组，并且使氧化剂气体以在该各个电池组的各个单电池中进行分流的方式来流动；电池组内部冷却介质流路，其贯通所述各个电池组，并且使冷却介质以在该各个电池组的各个单电池中进行分流的方式来流动；以及冷却介质连接流路，其将某个所述电池组的电池组内部冷却介质流路和另外的所述电池组的电池组内部冷却介质流路进行串联连接；所述催化剂层包含：催化剂担载体，其包含电极催化剂和担载该电极催化剂的碳粉末；和附着于该催化剂担载体上的电解质；其中，冷却介质下游电池组的单电池中的所述催化剂层与冷却介质上游电池组的单电池中的所述催化剂层相比，其选自催化剂材料组成群中的1种以上的催化剂材料组成更大，该催化剂材料组成群由所述催化剂层的每单位体积的离子交换基的密度、所述催化剂层的所述催化剂担载体的所述电极催化剂的担载量、以及所述催化剂层的催化剂担载率构成，其中，所述冷却介质下游电池组是位于所述冷却介质连接流路的下游的所述电池组，所述冷却介质上游电池组是位于所述冷却介质连接流路的上游的所述电池组；所述燃料电池的运行方法包括：在所述冷却介质下游电池组的电池组内部燃料气体流路中流动的燃料气体的相对湿度低于所述冷却介质上游电池组的电池组内部燃料气体流路中流动的燃料气体的相对湿度、并且所述冷却介质下游的所述电池组的电池组内部氧化剂气体流路中流动的氧化剂气体的相对湿度低于所述冷却介质上游电池组的电池组内部氧化剂气体流路中流动的氧化剂气体的相对湿度的条件下，进行发电运行。
由此，就能够容易地将从燃料电池(位于最下游的电池组的电池组内部冷却介质流路)排出的冷却介质调整到高温，并且能够提高燃料电池整体的发电效率。
再有，本发明所涉及的燃料电池的运行方法也可以是，所述燃料电池在被提供给该燃料电池的燃料气体以及氧化剂气体的露点低于被提供给该燃料电池的冷却介质的温度的条件下，进行发电运行。
本发明的上述目的、其它的目的、特征以及优点可以在参照附图的情况下，根据以下优选的实施方式的详细的说明得以明了。
根据本发明的燃料电池、具备该燃料电池的燃料电池系统以及燃料电池的运行方法，能够容易地将从燃料电池(位于最下游的电池组的内部冷却介质流路)排出的冷却介质调整到高温并且提高燃料电池整体的发电效率。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池概略结构的示意图。
图2是示意性地表示由图1所表示的燃料电池的第1电池组概略结构的斜视图。
图3是示意性地表示由图1所表示的燃料电池的第2电池组概略结构的斜视图。
图4是示意性地表示由图1所表示的燃料电池的第1单电池概略结构的截面图。
图5是表示本发明的实施方式2所涉及的燃料电池概略结构的示意图。
图6是示意性地表示由图5所表示的第2电池组概略结构的斜视图。
图7是示意性地表示由图5所表示的燃料电池的连接板的概略结构的正面图。
图8是由图7所表示的A-A线截面图。
图9是示意性地表示由图7所表示的连接板的板部件的概略结构的正面图。
图10是示意性地表示由图7所表示的连接板的板部件的概略结构的正面图。
图11是示意性地表示由图7所表示的连接板的板部件的概略结构的正面图。
图12是示意性地表示由图7所表示的连接板的板部件的概略结构的正面图。
图13是示意性地表示由图7所表示的连接板的板部件的概略结构的正面图。
图14是示意性地表示由图7所表示的连接板的板部件的概略结构的正面图。
图15是示意性地表示由图7所表示的连接板的板部件的概略结构的正面图。
图16是表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池的概略结构的示意图。
图17是示意性地表示由图16所表示的燃料电池的连接板的概略结构的正面图。
图18是表示本发明的实施方式4所涉及的燃料电池的概略结构的示意图。
图19是表示本发明的实施方式5所涉及的燃料电池的概略结构的示意图。
图20是示意性地表示由图19所表示的燃料电池的第1电池组的概略结构的斜视图。
图21是示意性地表示由图19所表示的燃料电池的第2电池组的概略结构的斜视图。
图22是表示本发明的实施方式6所涉及的燃料电池的概略结构的示意图。
图23是表示本发明的实施方式7所涉及的燃料电池系统的概略结构的示意图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的优选实施方式。还有，在所有的图中，将相同的符号标注于相同或者相当的部分上，省略重复说明。另外，在所有的图中，仅仅选取为了说明本发明所必需的构成要素进行图示，关于其它的构成要素则省略图示。再有，本发明并不限定于以下的实施方式。
(实施方式1)
[燃料电池的结构]
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池概略结构的示意图。还有，在图1中将燃料电池的上下方向作为图中的上下方向来加以表示，并省略其一部分。
如图1所示，本发明的实施方式1所涉及的燃料电池100具备：层叠1个以上的第1单电池51而成的第1电池组101，以及层叠1个以上的第2单电池52而成的第2电池组102；第1电池组101和第2电池组102这2个电池组被并列设置。在第1电池组101和第2电池组102的两端分别配置有第1以及第2集电板61a、61b、第1以及第2绝缘板62a、62b、第1以及第2端板63a、63b。然后，电配线106以串联连接第1电池组101的第1集电板61a以及第2电池组102的第2集电板61b的方式被配设，由此第1电池组101和第2电池组102被电串联连接。
在第1电池组101的第2集电板61b和第2电池组102的第1集电板61a上分别设置有端子64、64；在该端子64、64上连接有电配线(未图示)的一端，而其另一端则被连接于变流器(inverter)(图1中未图示)。由此，在燃料电池100中所产生的直流电流被输出到变流器，再由变流器变换成交流电流，从而电力被提供给电力负载。
另外，燃料电池100具备冷却介质连接流路103、燃料气体连接流路104以及氧化剂气体连接流路105；冷却介质连接流路103、燃料气体连接流路104以及氧化剂气体连接流路105分别串联连接：第1电池组101的电池组内部冷却介质流路151A与第2电池组102的电池组内部冷却介质流路151B、电池组内部燃料气体流路152A与电池组内部燃料气体流路152B、以及电池组内部氧化剂气体流路153A与电池组内部氧化剂气体流路153B。
在此，第1电池组101的电池组内部冷却介质流路151A贯通第1电池组101，并且是使冷却介质在该第1电池组101的各个第1单电池51中分流而流动的流路，该流路包括冷却介质供给集流管125A、全部第1单电池51的冷却介质流路10以及冷却介质排出集流管126A。另外，第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A贯通第1电池组101，并且是使燃料气体在该第1电池组101的各个第1单电池51中分流来流动的流路，该流路包括燃料气体供给集流管121A、全部第1单电池51的燃料气体流路8以及燃料气体排出集流管122A。再有，第1电池组101的电池组内部氧化剂气体流路153A贯通第1电池组101，并且是以在该第1电池组101的各个第1单电池51中分流的方式使氧化剂气体流动的流路，而且该流路包括氧化剂气体供给集流管123A、全部第1单电池51的氧化剂气体流路9以及氧化剂气体排出集流管124A。
另一方面，第2电池组102的电池组内部冷却介质流路151B贯通第2电池组102，并且是以在该第2电池组102的各个第2单电池52中分流的方式使冷却介质流动的流路，而且该流路包括冷却介质供给集流管125B、全部第2单电池52的冷却介质流路10以及冷却介质排出集流管126B。另外，第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B贯通第2电池组102，并且是以在该第2电池组102的各个第2单电池52中分流的方式使燃料气体流动的流路，而且该流路包括燃料气体供给集流管121B、全部第2单电池52的燃料气体流路8以及燃料气体排出集流管122B。再有，第2电池组102的电池组内部氧化剂气体流路153B贯通第2电池组102，并且是以在该第2电池组102的各个第2单电池52中分流的方式使氧化剂气体流动的流路，而且该流路包括氧化剂气体供给集流管123B、全部第2单电池52的氧化剂气体流路9以及氧化剂气体排出集流管124B。
还有，在本实施方式1中是制成了串联连接第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A和第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B的结构，但是并不限定于这种情况，也可以制成并联连接第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A和第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B的结构。另外，制成了串联连接第1电池组101的电池组内部氧化剂气体流路153A和第2电池组102的电池组内部氧化剂气体流路153B的结构，但是并不限定于这种情况，也可以制成并联连接第1电池组101的电池组内部氧化剂气体流路153A和第2电池组102的电池组内部燃料气体流路153B的结构。在此，在本发明中，所谓2个流路被串联连接，是指一个流路的下游端(出口)与另一个流路的上游端(入口)相连接。另外，在本发明中，所谓2个流路被并联连接，是指一个流路的上游端(入口)与另一个流路的上游端(入口)相连接。
接着，参照图1以及图2，就第1电池组101的结构作进一步详细的说明。图2是示意性地表示由图1所表示的燃料电池100的第1电池组101的概略结构的斜视图。还有，在图2中，将第1电池组101的上下方向作为图中的上下方向来加以表示。
如图1以及图2所示，第1电池组101是在其厚度方向上层叠具有板状的整体形状的第1单电池51而成，并且在第1电池组101的两端配置有第1以及第2集电板61a、61b、第1以及第2绝缘板62a、62b、第1以及第2端板63a、63b、在第1单电池51的层叠方向上联结第1电池组101的联结器具(未图示)。具体为，第1以及第2集电板61a、61b分别被配置成与第1电池组101的两端相接触；第1端板63a以及第2端板63b被配置成位于第1电池组101的最外侧。另外，第1以及第2绝缘板62a、62b被配置成分别位于第1以及第2集电板61a、61b与第1以及第2端板63a、63b之间。还有，板状的第1单电池51是与垂直面相平行而延伸的，而第1单电池51的层叠方向成为水平方向。
在第1电池组101的一个侧部(图面左侧的侧部：以下称为第1侧部)的上部，以在该第1电池组101的第1单电池51的层叠方向上进行贯通的方式，设置有冷却介质供给集流管125A。冷却介质供给集流管125A的一端连通于被形成于第1集电板61a、第1绝缘板62a以及第1端板63a上的贯通孔145，并且在该贯通孔145上连接有冷却介质供给路径135(准确地来说是构成冷却介质供给路径135的配管)。另一方面，冷却介质供给集流管125A的另一端被第2集电板61b所封闭。
另外，在冷却介质供给集流管125A的下部，以在第1电池组101的第1单电池51的层叠方向上进行贯通的方式，设置有氧化剂气体供给集流管123A。氧化剂气体供给集流管123A的一端连通于被形成于第1集电板61a、第1绝缘板62a以及第1端板63a上的贯通孔143，并且在该贯通孔143上连接有氧化剂气体供给路径133(准确地来说是构成氧化剂气体供给路径133的配管)。另一方面，氧化剂气体供给集流管123A的另一端被第2集电板61b所封闭。
再有，在冷却介质供给集流管125A的上部的内侧，以在第1电池组101的第1单电池51的层叠方向上进行贯通的方式，设置有燃料气体供给集流管121A。燃料气体供给集流管121A的一端连通于被形成于第1集电板61a、第1绝缘板62a以及第1端板63a上的贯通孔141，并且在该贯通孔141上连接有燃料气体供给路径131(准确地来说是构成燃料气体供给路径131的配管)。另一方面，燃料气体供给集流管121A的另一端被第2集电板61b所封闭。
在第1电池组101上的另一个侧部(图面右侧的侧部：以下称为第2侧部)的下部，以在该第1电池组101的第1单电池51的层叠方向上进行贯通的方式，设置有冷却介质排出集流管126A。冷却介质排出集流管126A的一端(出口)连通于被形成于第2集电板61b、第2绝缘板62b以及第2端板63b的贯通孔146，并且在该贯通孔146上连接有冷却介质连接流路103(准确地来说是构成冷却介质连接流路103的配管)。另一方面，冷却介质排出集流管126A的另一端被第1集电板61a所封闭。
另外，在冷却介质排出集流管126A的上部，以在第1电池组101的第1单电池51的层叠方向上进行贯通的方式，设置有氧化剂气体排出集流管124A。氧化剂气体排出集流管124A的一端(出口)连通于被形成于第2集电板61b、第2绝缘板62b以及第2端板63b的贯通孔146，并且在该贯通孔146上连接有氧化剂气体连接流路105(准确地来说是构成氧化剂气体连接流路105的配管)。另一方面，氧化剂气体排出集流管124A的另一端被第1集电板61a所封闭。
再有，在冷却介质排出集流管126A的下部的内侧，以在第1电池组101的第1单电池51的层叠方向上进行贯通的方式，设置有燃料气体排出集流管122A。燃料气体排出集流管122A的一端(出口)连通于被形成于第2集电板61b、第2绝缘板62b以及第2端板63b上的贯通孔142，并且在该贯通孔142上连接有燃料气体连接流路104(准确地来说是构成燃料气体连接路径104的配管)。另一方面，燃料气体排出集流管122A的另一端被第1集电板61a所封闭。
接着，参照图1以及图3，就第2电池组102的结构作如下详细的说明。还有，第2电池组102其基本结构与第1电池组101相同，所以只对不同点作如下说明。
图3是示意性地表示由图1所表示的燃料电池100的第2电池组102的概略结构的斜视图。还有，在图3中将第2电池组102的上下方向作为图中的上下方向来加以表示的。
如图1以及图3所示，第2电池组102的燃料气体供给集流管121B的一端被第1集电板61a所封闭，其另一端(入口)连通于被形成于第2集电板61b、第2绝缘板62b以及第2端板63b上的贯通孔141，并且在该贯通孔141上连接有燃料气体连接流路104(准确地来说是构成燃料气体连接流路104的配管)。另外，第2电池组102的燃料气体排出集流管122B的一端连通于被形成于第1集电板61a、第1绝缘板62a以及第1端板63a上的贯通孔142，并且在该贯通孔142上连接有燃料气体排出路径132(准确地来说是构成燃料气体排出路径132的配管)。另一方面，第2电池组102的燃料气体排出集流管122B的另一端被第2集电板61b所封闭。
另外，第2电池组102的氧化剂气体供给集流管123B的一端被第1集电板61a所封闭，其另一端(入口)连通于被形成于第2集电板61b、第2绝缘板62b以及第2端板63b的贯通孔143，并且在该贯通孔143上连接有氧化剂气体连接流路105(准确地来说是构成氧化剂气体连接流路105的配管)。另外，第2电池组102的氧化剂气体排出集流管124B的一端连通于被形成于第1集电板61a、第1绝缘板62a以及第1端板63a上的贯通孔144，并且在该贯通孔144上连接有氧化剂气体排出路径134(准确地来说是构成氧化剂气体排出路径134的配管)。另一方面，第2电池组102的氧化剂气体排出集流管124B的另一端被第2集电板61b所封闭。
再有，第2电池组102的冷却介质供给集流管125B的一端被第1集电板61a所封闭，其另一端(入口)连通于被形成于第2集电板61b、第2绝缘板62b以及第2端板63b上的贯通孔145，并且在该贯通孔145上连接有冷却介质连接流路103(准确地来说是构成冷却介质连接流路103的配管)。另外，第2电池组102的冷却介质排出集流管126B的一端连通于被形成于第1集电板61a、第1绝缘板62a以及第1端板63a上的贯通孔146，并且在该贯通孔146上连接有冷却介质排出路径136(准确地来说是构成冷却介质排出路径136的配管)。另一方面，第2电池组102的冷却介质排出集流管126B的另一端被第2集电板61b所封闭。
由此，在第1电池组101中流通了的燃料气体以及氧化剂气体分别流通于燃料气体连接流路104以及氧化剂气体连接流路105，并且被提供给第2电池组102。
另外，被提供给了第1电池组101的冷却介质流通于冷却介质连接流路103，并被提供给第2电池组102。即，第1电池组101位于冷却介质连接流路103的上游侧，从而构成冷却介质上游电池组，而第2电池组102位于冷却介质连接流路103的下游侧，从而构成冷却介质下游电池组。
在第1电池组101内流通的冷却介质将在第1电池组101的各个第1单电池51中由燃料气体和氧化剂气体的反应而生成的热进行回收从而被加热，所以第2电池组102的温度变得高于第1电池组101。因此，就能够容易地将从第2电池组102排出的冷却介质调整至高温。还有，在本实施方式中，第2电池组102的内部温度变得比第1电池组101更高，所以第2电池组102的相对湿度变得比第1电池组101更低。
接着，参照图4，就构成第1电池组101的第1单电池51以及构成第2电池组102的第2单电池52的结构，作如下详细的说明。还有，第1单电池51和第2单电池52的基本结构相同，所以关于第2单电池52，只说明与第1单电池51不相同的地方。
图4是示意性地表示由图1所表示的燃料电池100的第1单电池51的概略结构的截面图。
如图4所示，第1单电池51具备MEA(Membrane-Electrode-Assembly：膜-电极组件(电解质层-电极组件))5、密封垫圈7、阳极隔板6a以及阴极隔板6b。
首先，就MEA5作如下说明。
MEA5具有选择性地输送氢离子的高分子电解质膜(电解质层)1、阳极4a以及阴极4b。高分子电解质膜1具有大致四边形(在此为矩形)的形状，在高分子电解质膜1的两面上，以位于其周缘部的内侧的方式，分别配设有阳极4a和阴极4b。还有，在高分子电解质膜1的周缘部上，以在厚度方向上进行贯通的方式设置氧化剂气体排出集流管孔等的各个集流管孔(未图示)。
阳极4a被配设于高分子电解质膜1的一个主面上，且具有：包括由担载了铂类金属催化剂(电极催化剂)的碳粉末(导电性碳颗粒)构成的担载了催化剂的碳(催化剂担载体)和附着于担载了催化剂的碳上的高分子电解质的阳极催化剂层2a；以及被配设于阳极催化剂层2a之上且兼备透气性和导电性的阳极气体扩散层3a。同样，阴极4b被配设于高分子电解质膜1的另一个主面上，且具有：包括由担载了铂类金属催化剂(电极催化剂)的碳粉末(导电性碳颗粒)构成的担载了催化剂的碳(催化剂担载体)和附着于担载了催化剂的碳上的高分子电解质的阴极催化剂层2b；以及被配设于阴极催化剂层2b之上且兼备透气性和导电性的阴极气体扩散层3b。
接着，就MEA5的各个要素作如下说明。
高分子电解质膜1具有质子传导性。作为高分子电解质膜1，优选具有作为阳离子交换基的磺酸基、羧酸基、膦酸基以及硫酰亚胺基的物质。另外，从质子传导性的观点出发，高分子电解质膜1更加优选为具有磺酸基的物质。
作为具有构成高分子电解质膜1的磺酸基的树脂，优选为离子交换容量为0.5～2.0meq/g的干燥树脂。构成高分子电解质膜1的干燥树脂的离子交换容量如果是在0.5meq/g以上的话，那么能够充分地减小发电时的高分子电解质膜1的电阻值的上升，因而优选；另外，干燥树脂的离子交换容量如果是在2.0meq/g以下的话，那么高分子电解质膜的含水率不会增大而变得不容易膨胀，且不用担忧阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b中的细孔发生堵塞，而优选。
作为高分子电解质，优选为包含基于由CF2＝CF-(OCF2CFX)m-Op-(CF2)n-SO3H所表示的全氟乙烯基化合物(m表示0～3的整数，n表示1～12的整数，p表示0或者1，X表示氟原子或者三氟甲基)的聚合单元和基于四氟乙烯的聚合单元的共聚物。
作为上述氟化乙烯基化合物的优选例子，可以列举由下述式(1)～(3)所表示的化合物。其中，在下述式中，q表示1～8的整数，r表示1～8的整数，t表示1～3的整数。
CF2＝CFO(CF2)q-SO3H……(1)
CF2＝CFOCF2CF(CF3)O(CF2)r-SO3H……(2)
CF2＝CF(OCF2CF(CF3))tO(CF2)2-SO3H……(3)
阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b只要是能够取得本发明效果的物质那么就没有特别的限定，可以具有与公知的燃料电池中的气体扩散电极的催化剂层相同的结构，例如，可以是在由担载了电极催化剂的碳粉末(导电性碳颗粒)构成的担载了催化剂的碳和附着于担载了催化剂的碳上的高分子电解质中、进一步包含聚四氟乙烯等拨水材料那样的结构。另外，阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b的结构既可以是相同的又可以是不相同的。
还有，作为催化剂载体而使用的碳粉末优选比表面积为50～2000m2/g范围的碳粉末。碳粉末的比表面积如果是在50m2/g以上，那么容易高分散地担载电极催化剂，同时，即使是在相对湿度较低的情况下也能够保持水分的空间会增多，并且能够防止阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b发生干燥，因而优选。另外，碳粉末的比表面积如果是在2000m2/g以下，那么容易确保碳粉末的耐氧化性，并且即使是处于高电位的情况下仍然能够防止碳粉末被腐蚀，所以优选。
另外，作为电极催化剂，可以使用金属颗粒。作为该金属颗粒，并没有特别的限定，可以使用各种各样的金属，但是从电极反应活性的观点出发，优选选自由铂、金、银、钌、铑、钯、锇、铱、铬、铁、钛、锰、钴、镍、钼、钨、铝、硅、锌以及锡构成的金属群中的至少1种以上的金属。其中优选为铂、或者铂与选自上述金属群中的至少1种以上的金属组成的合金；铂和钌的合金因为其在阳极催化剂层2a中催化剂的活性稳定，所以特别优选。
另外，用于阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b的电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载率优选为10wt％～90wt％的范围。催化剂担载率如果是在10wt％以上的话，那么就能够减薄相对于规定电极催化剂量的阳极催化剂层2a以及/或者阴极催化剂层2b的厚度，并且能够提高阳极催化剂层2a以及/或者阴极催化剂层2b内的离子导电性、气体扩散性以及排水性，因而优选。另外，催化剂担载率如果是在90wt％以下的话，那么高分散性地担载电极催化剂将变得容易，且能够获得高发电效率，所以优选。
另外，第1电池组101因为其相对湿度较高，所以为了获得高发电效率，高分散地担载电极催化剂是有效的；另一方面，第2电池组102因为相对湿度较低，所以为了获得高发电效率，提高阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b内的离子传导性是有效的。因此，从降低成本并且提高发电效率的观点出发，作为燃料电池100整体，被构成为：第2单电池52的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b中的至少一者中使用的电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载率，大于第1单电池51的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b中使用的电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载率。
另外，用于阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b中的电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载量优选为0.01mg/cm2～10mg/cm2的范围。电极催化剂担载量如果是在0.01mg/cm2以上的话，那么能够降低电化学反应的反应过电压，所以优选。另外，电极催化剂的担载量如果是在10mg/cm2以下的话，那么能够降低电极催化剂所涉及的成本，所以优选。
另外，第1电池组101其相对湿度较高，所以即使是在电极催化剂的量较少的情况下也能够获得高发电效率；而第2电池组102其相对湿度较低，所以电极催化剂的量对发电效率产生较大影响，并且在阳极催化剂层2a以及/或者阴极催化剂层2b的相对湿度较低的情况下，反应过电压的降低效果明显地显现出来。因此，从降低成本并且提高发电效率的观点出发，作为燃料电池100整体，被构成为：在第2单电池52的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b中的至少一者中使用的电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载量，小于在第1单电池51的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b中使用的电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载量。
另外，作为用于阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b的高分子电解质，既可以使用与构成上述高分子电解质膜1的材料相同种类的物质，另外也可以使用不同种类的物质。关于离子交换容量，优选为0.5～2.0meq/g的干燥树脂。构成高分子电解质的干燥树脂(高分子电解质)的离子交换容量如果是在0.5meq/g以上的话，那么能够提高催化剂层内的离子传导性，同时即使是处于相对湿度较低的情况下含水率也会变得较高，并且能够防止催化剂层发生干燥，所以优选。另外，干燥树脂的离子交换容量如果是在2.0meq/g以下的话，那么就能够抑制高分子电解质由于含水而引起的膨胀，从而就不会担忧堵塞催化剂层内的细孔而阻碍气体扩散，所以优选。
另外，第1电池组101其相对湿度较高，且由于高分子电解质的膨胀或者由于生成水而容易堵塞催化剂层内的细孔；而第2电池组102其相对湿度较低且催化剂层会发生干燥，所以催化剂层内的离子传导性将会变得容易降低。因此，从降低成本并且提高发电效率的观点出发，作为燃料电池100整体，被构成为：在第2单电池52的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b中的至少一者中使用的高分子电解质的离子交换容量，大于在第1单电池51的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b中使用的高分子电解质的离子交换容量。
即，第2单电池52的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b中的至少一者的催化剂层的每单位体积的离子交换基的密度被构成为：大于第1单电池51的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b中的至少一者的催化剂层的每单位体积的离子交换基的密度更。
另外，优选将用于阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b的高分子电解质的量调整为，包括于阳极催化剂层2a或者阴极催化剂层2b中的高分子电解质的质量WP相对于担载了催化剂的碳的质量WCat-C之比(WP/WCat-C)成为0.3～3.0。WP/WCat-C如果是在0.3以上的话，那么离子传导路径被有效地形成于催化剂层内，并且提高了阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b内的离子传导性，所以优选。另外，WP/WCat-C如果是在3.0以下的话，那么气体扩散路径被有效地形成于阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b内，并且提高了阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b内的气体扩散性，所以优选。
另外，第1电池组101其相对湿度较高，因而由于高分子电解质的膨胀或者生成水而容易使阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b内的气体扩散性降低；另一方面，第2电池组102其相对湿度较低，所以阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b会发生干燥，并且会使得阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b内的离子传导性容易发生降低。因此，从降低成本并且提高发电效率的观点出发，作为燃料电池100整体，被构成为：在第2单电池52的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b中的至少一者中使用的高分子电解质的质量WP相对于担载了催化剂的碳的质量WCat-C之比(WP/WCat-C)，大于在第1单电池51的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b中使用的高分子电解质的质量WP相对于担载了催化剂的碳的质量WCat-C之比(WP/WCat-C)。
即，第2单电池52的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b中的至少一者的催化剂层的每单位体积的离子交换基的密度被构成为，大于第1单电池51的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b中的至少一者的催化剂层的每单位体积的离子交换基的密度。
作为阳极气体扩散层3a以及阴极气体扩散层3b，例如，为了具有气体透过性，可以使用通过用大表面积的碳细微粉末、造孔材料、碳纸或者碳布等而制作成的具有多孔结构的导电性基材。另外，从获得充分的排水性的观点出发，可以将以氟树脂作为代表的拨水性高分子等分散于阳极气体扩散层3a或者阴极气体扩散层3b之中。再有，从获得充分的电子传导性的观点出发，也可以用碳纤维、金属纤维或者碳细微粉末等的电子传导性材料来构成阳极气体扩散层3a或者阴极气体扩散层3b。
另外，在阳极气体扩散层3a与阳极催化剂层2a之间，以及在阴极气体扩散层3b与阴极催化剂层2b之间，可以设置由拨水性高分子以及碳粉末构成的拨水碳层。由此，就能够更加容易而且更加切实地进行MEA5中的水管理(对于维持MEA5的良好特性来说所必要的水的保持以及不必要的水的迅速排出)。
接着，就第1单电池51的其它要素作如下说明。
在MEA5的阳极4a以及阴极4b(准确地来说是阳极气体扩散层3a以及阴极气体扩散层3b)的周围，配设有一对夹持高分子电解质膜1的由氟橡胶制的环(doughnut)状的密封垫圈7。由此，就能够防止燃料气体或者氧化剂气体泄漏至电池外，另外，也能够防止在燃料电池100内这些气体发生相互混合。还有，在密封垫圈7的周缘部配设有由厚度方向的贯通孔构成的氧化剂气体排出集流管孔等的集流管孔(未图示)。
另外，以夹持MEA5和密封垫圈7的方式，配设有导电性的阳极隔板6a和阴极隔板6b。由此，MEA5被机械固定，并且在将多个第1单电池51在其厚度方向上层叠的时候，MEA5被电连接。还有，这些隔板6a、6b可以使用热传导性以及导电性方面优异的金属、石墨或者混合了石墨和树脂的混合物质，例如，可以使用将碳粉末和粘结剂(溶剂)的混合物通过注塑成型而制作成的板、或者在钛或者不锈钢制的板的表面实施了镀金处理而成的板。
在阳极隔板6a的与阳极4a相接触的一个主面(以下称为内表面)上配设有用于使燃料气体流通的沟槽状的燃料气体流路8，另外，在另一个主面(以下称为外表面)上配设有用于使冷却介质进行流通的沟槽状的冷却介质流路10。同样，在阴极隔板6b的与阴极4b相接触的一个主面(以下称为内表面)上配设有用于使氧化剂气体流通的沟槽状的氧化剂气体流路9，另外，在另一个主面(以下称为外表面)上配设有用于使冷却介质进行流通的沟槽状的冷却介质流路10。还有，在本实施方式1中，燃料气体流路8和氧化剂气体流路9被设置成所谓对向流。在此，所谓对向流，是指被构成为：虽然从第1单电池51(或者第2单电池52)的厚度方向看，具有氧化剂气体和燃料气体在一部分上以并行的方式进行流动的部分，但是宏观上(作为整体)而言，氧化剂气体和燃料气体的从上游到下游的整体流动方向是互相相反的。
由此，分别将燃料气体以及氧化剂气体提供给阳极4a以及阴极4b，这些反应气体经反应后产生电和热。另外，通过使冷却水等的冷却介质流通于冷却介质流路10，从而回收所产生的热。
[燃料电池的运行方法以及其作用效果]
接着，就本实施方式1所涉及的燃料电池100的运行方法以及其作用效果作如下说明。
如以上所述，在本实施方式1所涉及的燃料电池100中，冷却介质连接流路103串联连接着第1电池组101的电池组内部冷却介质流路151A和第2电池组102的电池组内部冷却介质流路151B。并且，将燃料气体、氧化剂气体以及冷却介质提供给燃料电池100。在此，在本实施方式1中，将露点温度低于被提供给燃料电池100的冷却介质的温度的燃料气体以及氧化剂气体提供给燃料电池100。还有，被提供给燃料电池100的燃料气体以及氧化剂气体的露点温度也可以高于被提供给燃料电池100的冷却介质的温度。
因此，被提供给第1电池组101的冷却介质在流通于冷却介质供给集流管125A期间，分别被分流提供给各个第1单电池51的冷却介质流路10。被提供给冷却介质流路10的冷却介质在流通于冷却介质流路10期间，将在第1单电池51的MEA5内由燃料气体与氧化剂气体的反应而生成的热进行回收而被加热。被加热的冷却介质合流于第1电池组101的冷却介质排出集流管126A，并在冷却介质排出集流管126A内流通，继而被提供给冷却介质连接流路103。于是，被提供给冷却介质连接流路103的冷却介质在冷却介质连接流路103内流通，并被提供给第2电池组102。由此，可以使第2电池组102的内部温度高于第1电池组101。另外，在第1电池组101内流通而被加热的冷却介质在流通于第2电池组102内期间，对在第2单电池52的MEA5内由燃料气体与氧化剂气体的反应而生成的热进行回收，从而被进一步加热，因而可以将从第2电池组102的冷却介质排出集流管126B排出的冷却介质调整到更加高的温度。
另外，在本实施方式1所涉及的燃料电池100中，燃料气体连接流路104将第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A和第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B进行串联连接，而氧化剂气体连接流路105将第1电池组101的电池组内部氧化剂气体流路153A和第2电池组102的电池组内部氧化剂气体流路153B进行串联连接。
因此，被提供给第1电池组101的燃料气体以及氧化剂气体在分别流通于燃料气体供给集流管121A以及氧化剂气体供给集流管123A期间内，分别被分流提供给各个第1单电池51的燃料气体流路8以及氧化剂气体流路9。被提供给燃料气体流路8以及氧化剂气体流路9的燃料气体以及氧化剂气体在第1单电池51的MEA5内发生反应而生成水。于是，燃料气体以及氧化剂气体被该所生成的水所加湿，被加湿的燃料气体以及氧化剂气体分别在燃料气体排出集流管122A以及氧化剂气体排出集流管124A中流通，并被提供给燃料气体连接流路104以及氧化剂气体连接流路105。被提供给燃料气体连接流路104以及氧化剂气体连接流路105的燃料气体以及氧化剂气体分别在燃料气体连接流路104以及氧化剂气体连接流路105中流通，并被提供给第2电池组102。由此，就能够进一步抑制第2电池组102的第2单电池52中的高分子电解质膜1发生干燥。
然而，虽然是将被加湿了的燃料气体以及氧化剂气体提供给第2电池组102，但是如以上所述，第2电池组102其内部温度高于第1电池组101内部温度(例如第1电池组101为65℃，而第2电池组102则为80℃)，所以第2电池组102的相对湿度会低于第1电池组101。即，能够以以下所述条件实施发电运行，该条件为：在第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B中流通的燃料气体的相对湿度低于在第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A中流通的燃料气体的相对湿度，并且，在第2电池组102的电池组内部氧化剂气体流路153B中流通的氧化剂气体的相对湿度低于在第1电池组101的电池组内部燃料气体流路153A中流通的氧化剂气体的相对湿度。
并且，本实施方式1所涉及的燃料电池100被构成为，用于第2单电池52的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b的至少一者的电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载率、电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载量、高分子电解质的离子交换容量、以及高分子电解质的质量WP相对于担载了催化剂的碳的质量WCat-C之比(WP/WCat-C)，大于用于第1单电池51的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b的电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载率、电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载量、高分子电解质的离子交换容量、以及高分子电解质的质量WP相对于担载了催化剂的碳的质量WCat-C之比(WP/WCat-C)。
因此，在本实施方式1所涉及的燃料电池100的第1电池组101中，即使是在低温且高相对湿度的状态下，也能够抑制由于高分子电解质的膨胀和生成水而引起的催化剂层内的细孔的堵塞、或者由于高分子电解质的膨胀和生成水而引起的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b内的气体扩散性降低，由此，就能够提高发电效率。另外，在第2电池组102中，即使是在高温且低相对湿度的状态下，也能够抑制阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b发生干燥，并且能够抑制阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b内的离子传导性发生降低，由此，就能够提高发电效率。
因此，在本实施方式1所涉及的燃料电池100中，可以将从燃料电池100的第2电池组102排出的冷却介质的温度调节成高温，从而能够不增加加湿器的成本或使其大型化而实现高发电效率。
还有，本实施方式1所涉及的燃料电池100构成为，用于第2单电池52的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b的至少一者的电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载率、电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载量、高分子电解质的离子交换容量、以及高分子电解质的质量WP相对于担载了催化剂的碳的质量WCat-C之比(WP/WCat-C)，大于用于第1单电池51的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b的电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载率、电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载量、高分子电解质的离子交换容量、以及高分子电解质的质量WP相对于担载了催化剂的碳质量WCat-C之比(WP/WCat-C)；但是并不限定于此，只要被构成为：第2单电池52的电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载率、电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载量、高分子电解质的离子交换容量、以及高分子电解质的质量WP相对于担载了催化剂的碳的质量WCat-C之比(WP/WCat-C)中的至少一者，大于用于第1单电池51的阳极催化剂层2a以及阴极催化剂层2b的电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载率、电极催化剂相对于担载了催化剂的碳的担载量、高分子电解质的离子交换容量、以及高分子电解质的质量WP相对于担载了催化剂的碳质量WCat-C之比(WP/WCat-C)的话，那么就能够取得上述作用效果。
(实施方式2)
图5是表示本发明的实施方式2所涉及的燃料电池的概略结构的示意图。还有，在图5中，将燃料电池的上下方向作为图中的上下方向来加以表示，并省略了一部分。
如图5所示，本发明的实施方式2所涉及的燃料电池100其基本结构与实施方式1所涉及的燃料电池100相同，但是第2电池组102的燃料气体供给集流管121B等的各个集流管的配置有所不同，另外，在以下方面有所不同：连接板111被配设成连接第1电池组101和第2电池组102的端部，并且在该连接板111内设置有冷却介质连接流路103、燃料气体连接流路104以及氧化剂气体连接流路105；在第1电池组101与第2电池组102之间设置有绝热部件112。以下就这些不同点加以说明。
首先，参照图5以及图6，就第2电池组102的燃料气体供给集流管121B等的各个集流管的配置作如下说明。
图6是示意性地表示由图5所表示的第2电池组102的概略结构的斜视图。还有，在图6中，将第2电池组102的上下方向作为图中的上下方向来加以表示。
如图6所示，在第2电池组102的第1侧部的上部，以在第2电池组102的第2单电池52的层叠方向上进行贯通的方式，设置有冷却介质供给集流管125B；在其下部，以在第2电池组102的第2单电池52的层叠方向上进行贯通的方式，设置有燃料气体供给集流管121B。另外，在冷却介质供给集流管125B的上部的内侧，以在第2电池组102的第2单电池52的层叠方向上进行贯通的方式，设置有氧化剂气体供给集流管123B。
另外，在第2电池组102的第2侧部的下部，以在第2电池组102的第2单电池52的层叠方向上进行贯通的方式，设置有冷却介质排出集流管126B；在其上部，以在第2电池组102的第2单电池52的层叠方向上进行贯通的方式，设置有燃料气体排出集流管122B。另外，在冷却介质排出集流管126B的下部的内侧，以在第2电池组102的第2单电池52的层叠方向上进行贯通的方式，设置有氧化剂气体排出集流管124B。
并且，在如以上所述进行构成的第2电池组102与第1电池组101之间，设置有绝热部件112。绝热部件112只要能够抑制在第1电池组101与第2电池组102之间发生热交换，那么可以是任何部件，例如，可以由陶瓷、含有气泡的树脂类绝热材料、真空绝热材料等加以构成。另外，例如，也可以由用树脂板夹持陶瓷、含有气泡的树脂类绝热材料、真空绝热材料等而成的部件来加以构成。由此，能够抑制在第1电池组101与第2电池组102之间发生热交换，所以能够将从第2电池组102排出的冷却介质保持在高温。还有，只要能够抑制在第1电池组101与第2电池组102之间发生热交换，那么例如在第1电池组101与第2电池组102之间的距离较大的情况下，也可以不配设绝热部件112。
另外，以与第1电池组101的第2端板63b的主面以及第2电池组102的第2端板63b的主面相接触的方式，配设连接板111。在此，参照图5、图7以及图8，就连接板111的构成作如下说明。
图7是示意性地表示由图5所表示的燃料电池100的连接板111的概略结构的正面图，图8是由图7所表示的A-A线截面图。还有，在图7以及图8中，将连接板111的上下方向作为图中的上下方向来加以表示。
如图5、图7以及图8所示，连接板111是由板部件111a～111g所构成，在连接板111的与第2端板63b相接触的主面(以下称为内表面)上，以与第1电池组101的贯通孔144(第1电池组101的氧化剂气体排出集流管124A)相连通的方式，形成有凹部105a；另外，以与第2电池组102的贯通孔143(第2电池组102的氧化剂气体供给集流管123B)相连通的方式，形成有凹部105b。并且，在连接板111的内部，以连通凹部105a和凹部105b的方式，形成有隧道状的流路105c。由这些凹部105a、流路105c以及凹部105b构成了氧化剂气体连接流路105。
另外，在连接板111的内表面上，以与第1电池组101的贯通孔146(第1电池组101的冷却介质排出集流管126A)相连通的方式，形成有凹部103a；另外，以与第2电池组102的贯通孔145(第2电池组102的冷却介质供给集流管125B)相连通的方式，形成有凹部103b。并且，在连接板111的内部，以连通凹部103a和凹部103b的方式，形成有隧道状的流路103c。由这些凹部103a、流路103c以及凹部103b构成了冷却介质连接流路103。
再有，在连接板111的内表面上，以与第1电池组101的贯通孔142(第1电池组101的燃料气体排出集流管122A)相连通的方式，形成有凹部104a；另外，以与第2电池组102的贯通孔141(第2电池组102的燃料气体供给集流管121B)相连通的方式，形成有凹部104b。并且，在连接板111的内部，以连通凹部104a和凹部104b的方式，形成有隧道状的流路104c。由这些凹部104a、流路104c以及凹部104b构成了燃料气体连接流路104。
连接板111只要能够抑制在第1电池组101与第2电池组102之间发生热交换(即，只要是高绝热性材料)，那么可以是任何的部件，例如可以由陶瓷、含有气泡的树脂类绝热材料以及真空绝热材料等加以构成。另外，例如也可以由用树脂板夹持陶瓷、含有气泡的树脂类绝热材料以及真空绝热材料等而成的部件来加以构成。
接着，参照图7至图15，就连接板111的制作方法作如下说明。图9至图15分别是示意性地表示由图7所表示的连接板111的板部件的111a～111g的概略结构的正面图。
首先，如图9至图15所示，在板部件的111a～111g的主面上，分别形成：构成凹部103a，103b，104a，104b，105a，105b和流路103c，104c，105c的贯通孔以及/或者在厚度方向上贯通的沟槽。
然后，用适当的方法粘接板部件111a～111g，从而制作出连接板111。
还有，在本实施方式中，通过粘接板部件111a～111g来制作连接板111，但是并不限定于此，例如在由树脂构成连接板111的情况下，也可以由中空成形法来加以制作。
有关如以上所述进行构成的本实施方式2所涉及的燃料电池100，也能够取得与实施方式1所涉及的燃料电池100相同的作用效果。
(实施方式3)
图16是表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池概略结构的示意图。图17是示意性地表示由图16所表示的燃料电池的连接板概略结构的正面图。还有，在图16中，将燃料电池的上下方向作为图中的上下方向来加以表示。另外，在图17中，将连接板的上下方向作为图中的上下方向来加以表示，为了容易看到各条流路而将各条流路错开来加以表示。
如图16所示，本发明的实施方式3所涉及的燃料电池100其基本结构与实施方式2所涉及的燃料电池100相同，但是在第1电池组101和第2电池组102以相同方式加以构成、从而被配置成从第1单电池51(或者第2单电池52)的层叠方向看是夹持连接板111而互相重叠这点上有所不同，并且在第1电池组101的第2端板63b和第2电池组102的第1端板63a被省略这点上有所不同。另外，第1电池组101的第1集电板61a以及第1绝缘板62a与第2电池组102的第1集电板61a以及第1绝缘板62a以相同的方式进行构成，并且第1电池组101的第2集电板61b以及第2绝缘板62b与第2电池组102的第2集电板61b以及第2绝缘板62b以相同的方式构成，这一点与实施方式2所涉及的燃料电池100有所不同。另外，第1电池组101的第2集电板61b以及第2绝缘板62b被配置成从第1单电池51(或者第2单电池52)的层叠方向看是夹持连接板111而互相相对，电配线106连接第1电池组101的第2集电板61b和第2电池组102的第1集电板61a，这一点与实施方式2所涉及的燃料电池100有所不同。再有，被设置于连接板111的冷却介质连接流路103、燃料气体连接流路104以及氧化剂气体连接流路105的结构与实施方式2所涉及的燃料电池100有所不同。
具体是，在第1电池组101(第2电池组102)的第1集电板61a以及第1绝缘板62a各自的主面上，以与第1电池组101的燃料气体供给集流管121A相连通的方式(以与第2电池组102的燃料气体供给集流管121B相连通的方式)，设置有贯通孔141；并且以与第1电池组101的氧化剂气体供给集流管123A相连通的方式(以与第2电池组102的氧化剂气体供给集流管123B相连通的方式)，设置有贯通孔143。另外，以与第1电池组101的冷却介质供给集流管125A相连通的方式(以与第2电池组102的冷却介质供给集流管125B相连通的方式)，设置有贯通孔145。
另外，在第1电池组101(第2电池组102)的第2集电板61b以及第2绝缘板62b的各自的主面上，以与第1电池组101的燃料气体排出集流管122A相连通的方式(以与第2电池组102的燃料气体排出集流管122B相连通的方式)，设置有贯通孔142，并且以与第1电池组101的氧化剂气体排出集流管124A相连通的方式(以与第2电池组102的氧化剂气体排出集流管124B相连通的方式)，设置有贯通孔144。另外，以与第1电池组101的冷却介质排出集流管126A相连通的方式(以与第2电池组102的冷却介质排出集流管126B相连通的方式)，设置有贯通孔146。
并且，如图16以及图17所示，在连接板111的一个主面(与第1电池组101的第2绝缘板62b相接触的主面)上，以与第1电池组101的贯通孔142(燃料气体排出集流管122A)相连通的方式，并且以与第1电池组101的贯通孔144(第1电池组101的氧化剂气体排出集流管124A)相连通的方式，形成有凹部105a；另外，在连接板111的另一个主面(与第2电池组102的第1绝缘板62a相接触的主面)上，以与第2电池组102的贯通孔143(第2电池组102的氧化剂气体供给集流管123B)相连通的方式，形成有凹部105b。并且，在连接板111的内部，以连通凹部105a和凹部105b的方式，形成有隧道状的流路105c。由这些凹部105a、流路105c以及凹部105b构成了氧化剂气体连接流路105。
另外，在连接板111的一个主面上，以与第1电池组101的贯通孔146(第1电池组101的冷却介质排出集流管126A)相连通的方式，形成有凹部103a，另外，在连接板111的另一个主面上，以与第2电池组102的贯通孔145(第2电池组102的冷却介质供给集流管125B)相连通的方式，形成有凹部103b。并且，在连接板111的内部，以连通凹部103a和凹部103b的方式，形成有隧道状的流路103c。由这些凹部103a、流路103c以及凹部103b构成了冷却介质连接流路103。
再有，在连接板111的一个主面上，以与第1电池组101的贯通孔142(第1电池组101的燃料气体排出集流管122A)相连通的方式，形成有凹部104a，另外，在连接板111的另一个主面上，以与第2电池组102的贯通孔141(第2电池组102的燃料气体供给集流管121B)相连通的方式，形成有凹部104b。并且，在连接板111的内部，以连通凹部104a和凹部104b的方式，形成有隧道状的流路104c。由这些凹部104a、流路104c以及凹部104b构成了燃料气体连接流路104。
还有，连接板111在此被构成为能够抑制在第1电池组101与第2电池组102之间发生热交换，但是并不限定于此，例如也可以制成将用高绝热效果的材料构成的绝热部件配置于连接板111与第1电池组101或者与第2电池组102之间的结构。另外，在连接板111具有绝缘性的情况下，可以省略去第1电池组101的第2绝缘板62b以及/或者第2电池组102的第1绝缘板62a。
在如以上所述进行构成的本实施方式3所涉及的燃料电池100中，也能够取得与实施方式2所涉及的燃料电池100相同的作用效果。
(实施方式4)
图18是表示本发明的实施方式4所涉及的燃料电池的概略结构的不意图。
如图18所示，本发明的实施方式4所涉及的燃料电池100其基本结构与实施方式1所涉及的燃料电池100相同，但是在第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A和第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B被并联连接的这一点、以及第1电池组101的电池组内部氧化剂气体流路153A和第2电池组102的电池组内部氧化剂气体流路153B被并联连接这一点上，有所不同。
具体是，燃料气体连接流路104的上游端被连接于燃料气体供给路径131的途中，而燃料气体连接流路104的下游端则是通过第2电池组102的贯通孔141而与电池组内部燃料气体流路152B的上游端相连接。另外，燃料气体供给路径131通过第1电池组101的贯通孔141而与电池组内部燃料气体流路152A的上游端相连接。
同样，氧化剂气体连接流路105的上游端被连接于氧化剂气体供给路径133的途中，而氧化剂气体连接流路105的下游端则是通过第2电池组102的贯通孔143而与电池组内部氧化剂气体流路153B的上游端相连接。另外，氧化剂气体供给路径133通过第1电池组101的贯通孔143而与电池组内部氧化剂气体流路153A的上游端相连接。
由此，在燃料气体供给路径131中流通的燃料气体其中一部分被分流到燃料气体连接流路104，燃料气体分别被提供给第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A和第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B。另外，在氧化剂气体供给路径133中流通的氧化剂气体其中一部分被分流到氧化剂气体连接流路105，氧化剂气体分别被提供给第1电池组101的电池组内部氧化剂气体流路153A和第2电池组102的电池组内部氧化剂气体流路153B。
另外，在第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A的下游端，通过贯通孔142而连接有燃料气体排出路径132；在电池组内部氧化剂气体流路153A的下游端，通过贯通孔144而连接有氧化剂气体排出路径134。同样，在第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B的下游端，通过贯通孔142而连接有燃料气体排出路径132；在电池组内部氧化剂气体流路153B的下游端，通过贯通孔144而连接有氧化剂气体排出路径134。由此，在第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A以及第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B中没有被使用的燃料气体，分别被排出至第1电池组101的燃料气体排出路径132以及第2电池组102的燃料气体排出路径132。另外，在第1电池组101的电池组内部氧化剂气体流路153A以及第2电池组102的电池组内部氧化剂气体流路153B中没有被使用的氧化剂气体，分别被排出至第1电池组101的氧化剂气体排出路径134以及第2电池组102的氧化剂气体排出路径134。
在如以上所述构成的本实施方式4所涉及的燃料电池100中，与实施方式1所涉及的燃料电池100同样，冷却介质连接流路103串联连接第1电池组101的电池组内部冷却介质流路151A和第2电池组102的电池组内部冷却介质流路151B。因此，就能够使第2电池组102内的温度高于第1电池组101内的温度，从而能够将从第2电池组102排出的冷却介质调整到更加高的温度。
另外，在本实施方式4所涉及的燃料电池100中，燃料气体连接流路104并联连接第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A和第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B，而氧化剂气体连接流路105则并联连接第1电池组101的电池组内部氧化剂气体流路153A和第2电池组102的电池组内部氧化剂气体流路153B。
因此，包括于被提供给第1电池组101的燃料气体中的水分量(加湿量)和包括于被提供给第2电池组102的燃料气体中的水分量(加湿量)变成相同，另外，包括于被提供给第1电池组101的氧化剂气体中的水分量(加湿量)和包括于被提供给第2电池组102的氧化剂气体中的水分量(加湿量)变成相同。
然而，如以上所述，第2电池组102的内部的温度比第1电池组101的内部更高，所以被提供给第2电池组102的燃料气体以及氧化剂气体的相对湿度变成比被提供给第1电池组101的燃料气体以及氧化剂气体更低。
而且，在实施方式4所涉及的燃料电池100中，第1单电池51以及第2单电池52以与实施方式1所涉及的燃料电池100的第1单电池51以及第2单电池52相同的方法加以构成。因此，以本实施方式4所涉及的燃料电池100也能够取得与实施方式1所涉及的燃料电池100相同的作用效果。
(实施方式5)
图19是表示本发明的实施方式5所涉及的燃料电池概略结构的示意图。图20是示意性地表示由图19所表示的燃料电池的第1电池组概略结构的斜视图。图21是示意性地表示由图19所表示的燃料电池的第2电池组概略结构的斜视图。还有，在图20中，将第1电池组的上下方向作为图中的上下方向来加以表示，在图21中将第2电池组上的上下方向作为图中的上下方向来加以表示。
如图19至图21所示，本发明的实施方式5所涉及的燃料电池100其基本结构与实施方式1所涉及的燃料电池100相同，但是在第1电池组101和第2电池组102中都构成为使反应气体的流动为所谓并行流这一点上有所不同。在此，所谓并行流，是指被构成为：虽然从第1单电池51(或者第2单电池52)的厚度方向看，具有氧化剂气体和燃料气体在一部分上进行相反流动的部分，但宏观(作为整体)上，氧化剂气体和燃料气体的从上游到下游的整体流动方向是一致的。
具体是，如图19以及图20所示，在第1电池组101中的第1侧部的上部，设置有氧化剂气体供给集流管123A，在第1电池组101中的第1侧部的下部，设置有冷却介质排出集流管126A。另外，在氧化剂气体供给集流管123A的内侧，设置有冷却介质供给集流管125A，在冷却介质排出集流管126A的内侧，设置有燃料气体排出集流管122A。
另外，在第1电池组101中的第2侧部的上部，设置有燃料气体供给集流管121A，在第1电池组101中的第2侧部的下部，设置有氧化剂排出集流管124A。
并且，在第1集电板61a、第1绝缘板62a以及第1端板63a上，设置有与冷却介质排出集流管126A相连通的贯通孔146。另外，在第2集电板61b、第2绝缘板62b以及第2端板63b上，设置有与冷却介质供给集流管125A相连通的贯通孔145。还有，在本实施方式5中，制成了将贯通孔146设置于第1集电板61a、第1绝缘板62a以及第1端板63a、并且将贯通孔145设置于第2集电板61b、第2绝缘板62b以及第2端板63b的结构，但是并不限定于此，也可以与实施方式1同样，制成将贯通孔145设置于第1集电板61a、第1绝缘板62a以及第1端板63a、并且将贯通孔146设置于第2集电板61b、第2绝缘板62b以及第2端板63b的结构。
另外，如图19以及图21所示，在第2电池组102中的第1侧部的上部设置有氧化剂气体供给集流管123B，在第2电池组102中的第1侧部的下部设置有冷却介质排出集流管126B。另外，在氧化剂气体供给集流管123B的内侧设置有冷却介质供给集流管125B，在冷却介质排出集流管126B的内侧设置有燃料气体排出集流管122B。
另外，在第2电池组102中的第2侧部的上部设置有燃料气体供给集流管121B，在第2电池组102中的第2侧部的下部设置有氧化剂排出集流管124B。
并且，在第1集电板61a、第1绝缘板62a以及第1端板63a上，设置有与冷却介质供给集流管125B相连通的贯通孔145。另外，在第2集电板61b、第2绝缘板62b以及第2端板63b上，设置有与冷却介质排出集流管126B相连通的贯通孔146。还有，在本实施方式5中，制成了将贯通孔145设置于第1集电板61a、第1绝缘板62a以及第1端板63a并且将贯通孔145设置于第2集电板61b、第2绝缘板62b以及第2端板63b的结构，但是并不限定于此，也可以与实施方式1同样，制成将贯通孔146设置于第1集电板61a、第1绝缘板62a以及第1端板63a并且将贯通孔145设置于第2集电板61b、第2绝缘板62b以及第2端板63b的结构。
如以上所述构成的本实施方式5所涉及的燃料电池100也能够取得与实施方式1所涉及的燃料电池100相同的作用效果。
(实施方式6)
图22是表示本发明的实施方式6所涉及的燃料电池概略结构的示意图。
如图22所示，本发明的实施方式6所涉及的燃料电池100其基本结构与实施方式1所涉及的燃料电池100相同，但是在以非电串联连接第1电池组101和第2电池组102的方式加以构成这一点上有所不同。即，本实施方式6所涉及的燃料电池100在以分别在第1电池组101和第2电池组102中取出电力的方式进行构成这一点上有所不同。
具体为，被构成为并非由电配线106电串联连接第1电池组101和第2电池组102。另外，伴随于此，在第1电池组101的第1集电板61a和第2电池组102的第2集电板61b的各个上设置有端子64。并且，在第1电池组101的端子64、64上连接着电配线(未图示)的一端，而其另一端则被连接于变流器(在图6中没有图示)。另外，同样，在第2电池组102的端子64、64上连接着电配线(未图示)的一端，而其另一端则被连接于变流器(在图6中没有图示)。
在如以上所述进行构成的本实施方式6所涉及的燃料电池100中，能够使从第1电池组101取出的电力和从第2电池组102取出的电力不同。由此，就能够改变第1电池组101的燃料气体利用率以及氧化剂气体利用率、第2电池组102的燃料气体利用率以及氧化剂气体利用率。因此，通过调整第1电池组101的燃料气体利用率以及氧化剂气体利用率、第2电池组102的燃料气体利用率以及氧化剂气体利用率，从而就能够在以下所述的条件下进行发电运行，这个条件为：在第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B中流通的燃料气体的相对湿度低于在第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A中流通的燃料气体的相对湿度，并且在第2电池组102的电池组内部氧化剂气体流路153B中流通的氧化剂气体的相对湿度低于在第1电池组101的电池组内部氧化剂气体流路153A中流通的氧化剂气体的相对湿度。
并且，本实施方式6所涉及的燃料电池100其第1单电池51以及第2单电池52以与实施方式1所涉及的燃料电池100的第1单电池51以及第2单电池52相同的方式进行构成。因此，本实施方式6所涉及的燃料电池100也能够取得与实施方式1所涉及的燃料电池100相同的作用效果。
(实施方式7)
[燃料电池系统的构成]
图23是表示本发明的实施方式7所涉及的燃料电池系统的概略结构的示意图。
如图23所示，本发明的实施方式7所涉及的燃料电池系统700具备实施方式1所涉及的燃料电池100、燃料气体供给装置200、氧化剂气体供给装置300、冷却介质供给装置(温度控制装置)400、电力调整装置500以及控制装置600；控制装置600被构成为在以下所述的条件下进行发电，这个条件为：在第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B中流动的燃料气体的相对湿度低于第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A中流动的燃料气体的相对湿度，并且在第2电池组102的电池组内部氧化剂气体流路153B中流动的氧化剂气体的相对湿度低于在第1电池组101的电池组内部氧化剂气体流路153A中流动的氧化剂气体的相对湿度。另外，控制装置600也可以被构成为在以下所述的条件下进行发电运行，这个条件为：被提供给燃料电池100的燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点低于被提供给燃料电池100的冷却介质的温度。
在燃料气体供给装置200上通过燃料气体供给路径131而连接着燃料电池100(准确地来说是第1电池组101)。另外，燃料气体供给装置200例如具有氢生成装置、氢气瓶或者储氢合金等、加湿器、流量调整器(都未图示)。氢生成装置使原料气体(例如甲烷气体和丙烷气体等)和水生成燃料气体(氢气)。加湿器只要能够加湿来自氢生成装置等的燃料气体的话，可以是任何形态的加湿器，例如在冷却介质为水的情况下可以是与冷却介质作全热交换的全热交换器，也可以是将被储存于储罐等中的水制成水蒸汽来将燃料气体加湿的所谓的加湿器。流量调整器例如可以由能够调整流量的泵、或者泵与流量调整阀来加以构成。
另外，在氧化剂气体供给装置300上通过氧化剂气体供给路径133连接着燃料电池100(准确地来说是第1电池组101)。另外，氧化剂气体供给器105具有例如风扇或者鼓风机等送风机类、加湿器、流量调整器(都未图示)。加湿器只要能够加湿由送风机类提供的氧化剂气体，就可以是任何形态的加湿器，例如在冷却介质为水的情况下可以是与冷却介质作全热交换的全热交换器，也可以是将被储存于储罐等中的水制成水蒸汽来将氧化剂气体加湿的所谓加湿器。流量调整器例如可以由能够调整流量的泵、或者泵与流量调整阀来加以构成。
由此，被适当加湿的燃料气体从燃料气体供给装置200流通于燃料气体供给路径131，并被提供给燃料电池100(准确地来说是第1电池组101)，被适当加湿的氧化剂气体从氧化剂气体供给装置300流通于氧化剂气体供给路径133，并被提供给燃料电池100(准确地来说是第1电池组101)。
被提供给第1电池组101的燃料气体流通于电池组内部燃料气体流路152A，并从燃料气体连接流路104提供给第2电池组102。另外，被提供给第2电池组102的氧化剂气体流通于电池组内部氧化剂气体流路153A，并从氧化剂气体连接流路105提供给第2电池组102。
于是，被提供给第2电池组102的燃料气体流通于电池组内部燃料气体流路152B。在第1电池组101以及第2电池组102中没有被使用的燃料气体被排出至燃料气体排出路径132。另外，被提供给第2电池组102的氧化剂气体流通于电池组内部氧化剂气体流路153B。在第1电池组101以及第2电池组102中没有被使用的氧化剂气体被排出至氧化剂气体排出路径134。还有，未使用的燃料气体例如可以用未使用的氧化剂气体进行充分稀释后排出至大气中，在燃料气体供给装置200由氢生成装置构成的情况下，也可以提供给该氢生成装置的燃烧器(未图示)。
在冷却介质供给装置400上通过冷却介质供给路径135而连接着燃料电池100(准确地来说是第1电池组101)。另外，冷却介质供给装置400具有：例如，储存从外部提供的冷却介质的储罐、冷却介质温度调整器、泵以及流量调整阀。作为冷却介质温度调整器，例如可以列举：与燃料气体或者氧化剂气体等作热交换的热交换器、加热冷却介质的加热器等的加热器、冷却冷却介质的冷却器。另外，作为冷却介质，例如可以列举水或者乙二醇等的防冻液。还有，在本实施方式7中，冷却介质供给装置400由储罐、泵以及流量调整阀进行构成的，但是并不限定于此，如果泵能够调整流量，也可以制成没有流量调整阀的结构。
由此，被调整到适当温度的冷却介质从冷却介质供给装置400流通于冷却介质供给路径135，并被提供给第1电池组101。被提供给第1电池组101的冷却介质流通于电池组内部冷却介质流路151A，并从冷却介质连接流路103提供给第2电池组102。被提供给第2电池组102的冷却介质流通于电池组内部冷却介质流路151B，并从冷却介质排出路径136提供给冷却介质供给装置400，从而在冷却介质供给装置400中被调整到适当的温度。如以上所述，由冷却介质供给装置400调整燃料电池100的温度。还有，在本实施方式7中，冷却介质构成为在冷却介质供给装置400和燃料电池100中作循环，但是并不限定于此，冷却介质也可以构成为从排出路径136排出至燃料电池系统700外。
另外，在燃料电池100(准确地来说是第1电池组101的端子64和第2电池组102的端子64(参照图1))上，通过电配线161连接着电力调整装置500。电力调整装置500具有：例如，将由燃料电池100发电产生的直流电力转换成直流电压的转换器(converter)、将从转换器输出的直流电力转换成交流电力的变流器(inverter)。然后，电力调整装置500通过控制装置600的控制来调整从燃料电池100取出的电力。
另外，控制装置600是由微电脑等的计算机加以构成的，并且被构成为通过控制燃料电池系统700的各个设备来进行对燃料电池系统700的发电运行等的各个控制。而且，控制装置600具有例如CPU、由半导体储存器构成的内部储存器、通信部以及具备日历功能的计时部(都未图示)。在此，在本发明中，控制装置不单单是指单独的控制装置，它还意味着多个控制装置进行协同工作来进行对燃料电池系统700的控制的控制装置群。因此，控制装置600不一定由单独的控制装置来加以构成，也可以被构成为分散配置多个控制装置并使这些控制装置进行协同运作来控制燃料电池系统700。
[燃料电池系统的动作(运行方法)]
接着，就本实施方式7所涉及的燃料电池系统700的发电运行方法作如下说明。还有，以下的各个动作是通过控制装置600控制燃料电池系统700来加以完成的。
首先，从燃料气体供给装置200将燃料气体提供给燃料电池100(准确地来说是第1电池组101)，从氧化剂气体供给装置300将氧化剂气体提供给燃料电池100(准确地来说是第1电池组101)。另外，从冷却介质供给装置400将冷却介质提供给燃料电池100(准确地来说是第1电池组101)。还有，此时，控制装置600可以以使被提供给燃料电池100的燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点低于被提供给燃料电池100的冷却介质的温度的方式，控制燃料气体和氧化剂气体以及冷却介质的流量。
被提供给第1电池组101的燃料气体以及氧化剂气体在第1单电池51的MEA5内发生反应并生成水以及热。然后，由该被生成的水来加湿燃料气体以及氧化剂气体，被加湿的燃料气体以及氧化剂气体分别从燃料气体连接流路104以及氧化剂气体连接流路105提供给第2电池组102。另外，被生成的热由被提供给第1电池组101的冷却介质加以回收，回收了热的冷却介质从冷却介质连接路径103提供给第2电池组102。
被提供给第2电池组102的燃料气体以及氧化剂气体在第2单电池52的MEA5内发生反应并生成水以及热。然后，由该被生成的水来加湿燃料气体以及氧化剂气体，被加湿的未使用的燃料气体以及氧化剂气体分别被排出至燃料气体排出路径133以及氧化剂气体排出路径135。另外，被生成的热由被提供给第2电池组102的冷却介质加以回收，回收了热的冷却介质从冷却介质排出路径136提供给冷却介质供给装置400。
由此，就能够进一步抑制第2电池组102的第2单电池52中的高分子电解质膜1发生干燥。另外，可以使第2电池组102的内部温度高于第1电池组101。另外，在第1电池组101内进行流通并被加热的冷却介质在流通于第2电池组102内的期间，回收在第2单电池52的MEA5内由燃料气体和氧化剂气体的反应而生成的热，而被进一步加热，所以能够进一步提高从第2电池组102的电池组内部冷却介质流路153B(准确地来说是冷却介质排出集流管126B)排出的冷却介质的温度。再有，第2电池组102其内部的温度较第1电池组101内部更高(例如第1电池组101的温度为65℃，第2电池组102的温度为80℃)，所以能够使在第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B中流动的燃料气体的相对湿度较在第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A中流动的燃料气体的相对湿度更低，并且，能够使在第2电池组102的电池组内部氧化剂气体流路153B中流动的氧化剂气体的相对湿度较在第1电池组101的电池组内部氧化剂气体流路153A中流动的氧化剂气体的相对湿度更低。
然后，由燃料电池100进行发电所产生的电力由电力调整装置500提供给外部的电力负载。还有，从燃料电池100中取出的电力量通过控制装置600的控制而由电力调整装置500加以调整。
如以上所述，本实施方式7所涉及的燃料电池系统700能够在如下条件下进行发电，该条件是：第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B中流动的燃料气体的相对湿度较在第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A中流动的燃料气体的相对湿度更低，并且，在第2电池组102的电池组内部氧化剂气体流路153B中流动的氧化剂气体的相对湿度较在第1电池组101的电池组内部氧化剂气体流路153A中流动的氧化剂气体的相对湿度更低。
另外，本实施方式7所涉及的燃料电池系统700具备实施方式1所涉及的燃料电池100，所以能够取得与上述实施方式1所涉及的燃料电池100相同的作用效果。
还有，上述实施方式7所涉及的燃料电池系统700制成了具备实施方式1所涉及的燃料电池100的构成，但是并不限定于此，也可以制成具备上述实施方式2～6所涉及的燃料电池100中的任意一种燃料电池100的构成。
特别是，在制成了具有上述实施方式6所涉及的燃料电池100的构成的情况下，通过控制装置600的控制，电力调整装置500能够使从第1电池组101中取出的电力和从第2电池组102中取出的电力不同。由此，就能够改变第1电池组101的燃料气体利用率以及氧化剂气体利用率、第2电池组102的燃料气体利用率以及氧化剂气体利用率。因此，通过调整第1电池组101的燃料气体利用率以及氧化剂气体利用率、第2电池组102的燃料气体利用率以及氧化剂气体利用率，从而能够在第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B中流通的燃料气体的相对湿度低于第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A中流通的燃料气体的相对湿度、并且、第2电池组102的电池组内部氧化剂气体流路153B中流通的氧化剂气体的相对湿度低于第1电池组101的电池组内部氧化剂气体流路153A中流通的氧化剂气体的相对湿度的条件下，进行发电运行。
还有，在上述实施方式1～4、6所涉及的燃料电池100中，第1电池组101以及第2电池组102中都是被构成为，反应气体的流动为所谓对向流，但是并不限定于此，也可以被构成为在第1电池组101以及第2电池组102中都是所谓的并行流，另外，也可以被构成为使第1电池组101为对向流并且使第2电池组102成为并行流，进而也可以被构成为使第1电池组101为平行流并且使第2电池组102成为对向流。
另外，在上述实施方式5所涉及的燃料电池100中，第1电池组101以及第2电池组102中都是构成为，反应气体的流动为所谓并行流，但是并不限定于此，也可以构成为使第1电池组101为对向流并且使第2电池组102成为并行流，再则也可以构成为使第1电池组101为平行流并且使第2电池组102成为对向流。
另外，在上述实施方式1～3、5以及6所涉及的燃料电池100中，第1电池组101的电池组内部燃料气体流路152A和第2电池组102的电池组内部燃料气体流路152B被串联连接，但是也可以与上述实施方式4同样，并联连接这两个流路。另外，同样，在实施方式1～3、5以及6所涉及的燃料电池100中，第1电池组101的电池组内部氧化剂气体流路153A和第2电池组102的电池组内部氧化剂气体流路153B被串联连接，但是也可以与上述实施方式4同样，并联连接这两个流路。
另外，在上述实施方式1～6所涉及的燃料电池100中，是以在上下方向上进行排列的方式配置第1电池组101和第2电池组102，但是并不限定于此，也可以是以在水平向上进行排列的方式配置第1电池组101和第2电池组102。
本领域技术人员根据上述说明可以明了本发明的很多改进或者其他的实施方式。因此，上述说明应该仅仅作为示例来解释，是为了向本领域技术人员教导实施本发明的最佳方式而提供的。只要不脱离本发明的宗旨，可以实质性地变更其构造以及/或者功能的细节。另外，由上述实施方式所公开的多个构成要素的适当组合，能够形成各种发明。
产业上的利用可能性
本发明的燃料电池能够将从燃料电池排出的冷却介质的温度调节成高温，并且能够不提升加湿器的成本或者使其大型化而实现高发电效率，所以在燃料电池的领域中是有用的。
符号说明
1     高分子电解质膜
2a    阳极催化剂层
2b    阴极催化剂层
3a    阳极气体扩散层
3b    阴极气体扩散层
4a    阳极
4b    阴极
5     (Membrane-Electrode-Assembly：电解质层-电极组件)
6a    阳极隔板
6b    阴极隔板
7     密封垫圈
8     燃料气体流路
9     氧化剂气体流路
10    冷却介质流路
51    第1单电池
52    第2单电池
61a   第1集电板
61b   第2集电板
62a   第1绝缘板
62b   第2绝缘板
63a   第1端板
63b     第2端板
64      端子
101     第1电池组
102     第2电池组
103     冷却介质连接流路
103a    凹部
103b    凹部
103c    流路
104     燃料气体连接流路
104a    凹部
104b    凹部
104c    流路
105     氧化剂气体连接流路
105a    凹部
105b    凹部
105c    流路
106     电配线
111     连接板
111a    板部件
111b    板部件
111c    板部件
111d    板部件
111e    板部件
111f    板部件
111g    板部件
112     绝热部件
121A    燃料气体供给集流管
122A    燃料气体排出集流管
123A    氧化剂气体供给集流管
124A    氧化剂气体排出集流管
125A    冷却介质供给集流管
126A    冷却介质排出集流管
121B    燃料气体供给集流管
122B    燃料气体排出集流管
123B    氧化剂气体供给集流管
124B    氧化剂气体排出集流管
125B    冷却介质供给集流管
126B    冷却介质排出集流管
131     燃料气体供给路径
132     燃料气体排出路径
133     氧化剂气体供给路径
134     氧化剂气体排出路径
135     冷却介质供给路径
136     冷却介质排出路径
141     贯通孔
142     贯通孔
143     贯通孔
144     贯通孔
145     贯通孔
146     贯通孔
151A    电池组内部冷却介质流路
152A    电池组内部燃料气体流路
153A    电池组内部氧化剂气体流路
151B    电池组内部冷却介质流路
152B    电池组内部燃料气体流路
153B    电池组内部氧化剂气体流路
161     电配线
200     燃料气体供给装置
300     氧化剂气体供给装置
400     冷却介质供给装置(温度控制装置)
500     电力调整装置
600     控制装置
700    燃料电池系统

Claims (15)

1.一种燃料电池系统，其特征在于：
具备：
燃料电池，该燃料电池具备：多个电池组，该电池组由具有一对电极和被夹持于该一对电极中的电解质层的单电池层叠而成；电池组内部燃料气体流路，其贯通所述各个电池组，并且使燃料气体以在该各个电池组的各个单电池中进行分流的方式来流动；电池组内部氧化剂气体流路，其贯通所述各个电池组，并且使氧化剂气体以在该各个电池组的各个单电池中进行分流的方式来流动；电池组内部冷却介质流路，其贯通所述各个电池组，并且使冷却介质以在该各个电池组的各个单电池中进行分流的方式来流动；以及冷却介质连接流路，其将某个所述电池组的电池组内部冷却介质流路和另外的所述电池组的电池组内部冷却介质流路进行串联连接；构成所述电极的催化剂层包含：包含电极催化剂和担载该电极催化剂的碳粉末的催化剂担载体，和附着于该催化剂担载体上的电解质；其中，冷却介质下游电池组的单电池中的所述催化剂层与冷却介质上游电池组的单电池中的所述催化剂层相比，其选自催化剂材料组成群中的1种以上的催化剂材料组成更大，该催化剂材料组成群由所述催化剂层的每单位体积的离子交换基的密度、所述催化剂层的所述催化剂担载体的所述电极催化剂的担载量、以及所述催化剂层的催化剂担载率构成，其中，所述冷却介质下游电池组是位于所述冷却介质连接流路的下游的所述电池组，所述冷却介质上游电池组是位于所述冷却介质连接流路的上游的所述电池组，
将所述燃料气体提供给所述燃料电池的燃料气体供给装置；
将所述氧化剂气体提供给所述燃料电池的氧化剂气体供给装置；
控制所述燃料电池的温度的温度控制装置；
调整从所述燃料电池中取出的电力的电力调整装置；以及
控制所述燃料气体供给装置、所述氧化剂气体供给装置、所述温度控制装置以及所述电力调整装置的控制装置；
所述控制装置被构成为在下述条件下进行发电运行，该条件是：在所述冷却介质下游电池组的电池组内部燃料气体流路中流动的燃料气体的相对湿度，低于在所述冷却介质上游电池组的电池组内部燃料气体流路中流动的燃料气体的相对湿度；并且，在所述冷却介质下游电池组的电池组内部氧化剂气体流路中流动的氧化剂气体的相对湿度，低于在所述冷却介质上游电池组的电池组内部氧化剂气体流路中流动的氧化剂气体的相对湿度。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述催化剂层的每单位体积的离子交换基的密度是：所述催化剂层的所述电解质的质量相对于所述催化剂担载体的质量之比、以及/或者、所述催化剂层的所述催化剂担载体的所述电解质的离子交换容量。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于：
与所述冷却介质上游电池组的单电池中的所述催化剂层相比，所述冷却介质下游电池组的单电池中的所述催化剂层中，所述催化剂层的所述电解质的质量相对于所述催化剂担载体的质量之比更大。
4.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于：
与所述冷却介质上游电池组的单电池中的所述催化剂层相比，所述冷却介质下游电池组的单电池中的所述催化剂层中，所述催化剂层的所述催化剂担载体的所述电解质的离子交换容量更大。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
与所述冷却介质上游电池组的单电池中的所述催化剂层相比，所述冷却介质下游电池组的单电池中的所述催化剂层中，所述催化剂层的所述催化剂担载体的所述电极催化剂的担载量更大。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述各个电池组以互相串联的方式电连接。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述电池组内部燃料气体流路和所述电池组内部氧化剂气体流路被形成为并行流。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
具备：
燃料气体连接流路，其将某个所述电池组的电池组内部燃料气体流路和另外的所述电池组的电池组内部燃料气体流路进行串联连接；
氧化剂气体连接流路，其将某个所述电池组的电池组内部氧化剂气体流路和另外的所述电池组的电池组内部氧化剂气体流路进行串联连接。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述冷却介质上游电池组位于所述燃料气体连接流路以及所述氧化剂气体连接流路的上游；
所述冷却介质下游电池组位于所述燃料气体连接流路以及所述氧化剂气体连接流路的下游。
10.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
具备：
燃料气体连接流路，将某个所述电池组的电池组内部燃料气体流路和另外的所述电池组的电池组内部燃料气体流路进行并联连接，
氧化剂气体连接流路，将某个所述电池组的电池组内部氧化剂气体流路和另外的所述电池组的电池组内部氧化剂气体流路进行并联连接。
11.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
在某个所述电池组与另外的电池组之间设置有连接板，
所述冷却介质连接流路被形成于所述连接板上。
12.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
至少并列配置有2个所述电池组。
13.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述控制装置被构成为：在被提供给所述燃料电池的燃料气体以及氧化剂气体的露点低于被提供给所述燃料电池的冷却介质的温度的条件下，进行发电运行。
14.一种燃料电池的运行方法，其特征在于：
所述燃料电池具备：
多个电池组，该电池组由具有一对电极和被夹持于该一对电极中的电解质层的单电池层叠而成；
电池组内部燃料气体流路，其贯通所述各个电池组，并且使燃料气体以在该各个电池组的各个单电池中进行分流的方式来流动；
电池组内部氧化剂气体流路，其贯通所述各个电池组，并且使氧化剂气体以在该各个电池组的各个单电池中进行分流的方式来流动；
电池组内部冷却介质流路，其贯通所述各个电池组，并且使冷却介质以在该各个电池组的各个单电池中进行分流的方式来流动；以及
冷却介质连接流路，其将某个所述电池组的电池组内部冷却介质流路和另外的所述电池组的电池组内部冷却介质流路进行串联连接；
构成所述电极的催化剂层包含：催化剂担载体，其包含电极催化剂和担载该电极催化剂的碳粉末；和附着于该催化剂担载体上的电解质；
其中，冷却介质下游电池组的单电池中的所述催化剂层与冷却介质上游电池组的单电池中的所述催化剂层相比，其选自催化剂材料组成群中的1种以上的催化剂材料组成更大，该催化剂材料组成群由所述催化剂层的每单位体积的离子交换基的密度、所述催化剂层的所述催化剂担载体的所述电极催化剂的担载量、以及所述催化剂层的催化剂担载率构成，其中，所述冷却介质下游电池组是位于所述冷却介质连接流路的下游的所述电池组，所述冷却介质上游电池组是位于所述冷却介质连接流路的上游的所述电池组；
所述燃料电池的运行方法包括：
在所述冷却介质下游电池组的电池组内部燃料气体流路中流动的燃料气体的相对湿度低于所述冷却介质上游电池组的电池组内部燃料气体流路中流动的燃料气体的相对湿度、并且、所述冷却介质下游电池组的电池组内部氧化剂气体流路中流动的氧化剂气体的相对湿度低于所述冷却介质上游电池组的电池组内部氧化剂气体流路中流动的氧化剂气体的相对湿度的条件下，进行发电运行。
15.如权利要求14所述的燃料电池的运行方法，其特征在于：
所述燃料电池在被提供给该燃料电池的燃料气体以及氧化剂气体的露点低于被提供给该燃料电池的冷却介质的温度的条件下，进行发电运行。
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